恒温水箱系统设计

恒温水箱系统设计
——热工测量仪表作业
班级：xxxxx
学号：xxxxxxx
姓名：XX
2014-11-9
恒温水箱系统设计
一、设计要求
设计一个温度控制在0℃~100℃的恒温控制系统，控制精度保持在±1℃。

设定背景：设计一个恒温水箱（用于洗澡设施），通过控制加热器和冷水龙头的开关来保持水箱中水的温度稳定在设定值。

二、整体规划
整个系统因为要保持恒定温度，所以必须引入负反馈，成为闭环控制系统，整体规划如下图：
图中，被控对象的温度通过温度传感器测量并传递给控制器，控制器通过对于测量温度和设定温度的大小比较来决定执行机构的工作状态，从而达到使控制对象温度恒定的目的。

三、器材选取
由于本控制系统整体较简单，所以控制器采用八位51系列单片机STC89C52，而且其成本低廉，开发过程简单，是该系统控制器的最适选择。

执行机构分为加热器和降温器，加热器选用普通加热棒，伸入水箱中，而其开关选择继电器，以便于单片机控制；降温器则设计为一个通过继电器控制其开关的水龙头。

控制对象则选择装满水的铁皮水箱。

温度传感器选择ds18b20，通过查阅ds18b20的数据手册，其理论精度可以达到0.0625℃，在-10～+85℃时准确度为±0.5℃，对于恒温水箱来说这已经完全满足要求，故选择其作为温度传感器，由于ds18b20是数字温度传感器，所以不再需A/D转换，简化了电路，十分方便。

整个系统还需使用者输入设定温度，所以需要一个人机交互平台，对于这个平台可采用LCD1602液晶屏和独立按键实现。

四、硬件电路设计
1.最小系统
单片机最小系统图：
2．LCD1602显示电路
该电路是系统的显示装置可以用于显示设定温度和水箱当前温度等信息。

由于51单片机P0口为开漏输出结构，所以要在其上加上拉电阻。

3．按键电路
由于整个系统仅仅需要四个按键：上调，下调，确定，返回，所以直接采用独立按键的连接方式。

由于STC8952仅仅有两个外部中断触发，无法满足四个按键的触发，所以设计为这种按键触发外部中断，通过中断服务函数查询I/O口高低电平来判断哪个按键被按下的方案。

4.继电器电路
由于要控制加热和制冷，需要两个继电器电路，一个受P1.6端口控制，一个受P1.7端口控制。

由于单片机I/O口带负载能力有限，所以需要通过三极管来驱动继电器，电路中继电器两头要加二极管，以防止断电时的感生电动势对电路造成破坏。

5.温度传感器ds18b20连接电路
由于单片机I/O口充足，加之ds18b20总线连法对于时序要求复杂，所以选择5个I/O 口分别连5个ds18b20的连接方法。

6.继电器控制凉水龙头开关
继电器控制凉水龙头开关电气设计原理图：
图中KF是受单片机控制的继电器B的常开触点和常闭触点，BB是热继电器，QA0为总闸开关，当继电器B未得电，KF常闭闭合，QA2线圈得电，QA2主触点闭合，电机MA反转，水龙头关闭，当水龙头关死，电机开始转不动，这时线圈发热，热继电器BB弹开，切断控制回路，QA2失电，电机停转。

反之当继电器B得电，KF常开闭合，线圈QA1得电，主触点QA1闭合电机正转，打开龙头，当打到最大时，热继电器BB断开，QA1失电，电机停转。

从而实现单片机控制继电器B来实现凉水龙头停放水功能。

五、程序设计
通过keil集成开发环境来编写单片机控制程序。

1.LCD1602液晶显示函数
显示屏界面的变换其实就是一张图片一张图片的切换，所以先写好各界面的显示子程序，并编号，通过按键切换编号就可以做界面的转换功能。

2.温度采集函数
关于ds18b20的温度采集函数，可以直接移植官方的标准程序。

3.温度处理函数
我们用到了5个ds18b20，测量温度是求它们的平均值，以减小误差，还有一点就是必须通过软件编写来实现对于异常温度的剔除，因为传感器工作久了可能会坏，所以为了防止异常温度传感器对于测量的影响，必须要对异常温度值进行剔除。

异常温度处理程序思路：第一步，对于5个温度进行判断，如果超出正常范围（如小于0，或大于100）则需要剔除。

第二步，先求温度的平均值，然后将每个温度和平均温度比较，差值较大的舍弃，并重新求所剩温度数据平均值作为水箱测量温度。

这样，通过该程序就可以实现消除传感器意外事故对于系统的影响。

4.继电器控制程序
通过按键设定期望值，让其与测量温度值进行比较，如果测量值大于期望值，则继电器B得电，放凉水，如果期望值大于测量值，则继电器A工作，加热棒开始工作。

但是这里涉及到一个系统稳定性的问题，如果过于灵敏，系统稳定性会很差，继电器反复闭合开关，不利于长期使用，所以，对于测量温度和期望温度的比较应该设计成一个滞回比较的过程。

如图，在测量温度超过期望温度一定阈值以后寄存器B才开始工作，反之在测量温度小于期望温度一定阈值后继电器A才会工作，这样就会防止继电器在期望温度旁一直跳转。

六、参考文献
张毅刚.MCS—51单片机应用设计（第三版）.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008张华、赵文柱.热工测量仪表（第二版）.北京：冶金工业出版社，2013
任彦硕.自动控制原理.北京：机械工业出版社，2007
王永华.现代电气控制机PLC应用技术（第三版）.北京：北京航空航天大学出版社，2013 DS18B20数据手册。